JP4508622B2

JP4508622B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4508622B2
Application number: JP2003414359A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎吉田; 貢飯塚; 博巳太田
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005174785A

Description

本発明は、燃料極側の燃料と空気極側の空気とを電解質膜を介して電気化学的に反応させることにより電力を発生させる燃料電池システムに関する。

近年、自動車や電子機器等において、水素等の燃料と空気等の気体を電気化学的に反応させて燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池システムが注目されている。この種の燃料電池システムの一つのタイプとして、ダイレクトメタノール型燃料電池システムがある。

図２に示されているように、このダイレクトメタノール型燃料電池システム１は、電解質膜２を挟んで燃料極３と空気極４が設けられた燃料電池スタック５と、燃料極３に供給される３〜６％に希釈されたメタノール水溶液を貯蔵するための燃料タンク６と、燃料タンク６から燃料極３に供給される燃料を適正温度に保持させるための熱交換器７と、空気極４に空気を供給するためのブロワー８と、空気極４から排出された気体を凝縮させるための凝縮器９と、凝縮器９から排出された凝縮水を貯蔵するための凝縮水タンク１０とから概略構成されている。また、燃料タンク６には、燃料タンク６内のメタノール水溶液の水位を検出するための水位センサ１１が取り付けられ、燃料タンク６は連通管１２を介して凝縮水タンク１０に連通している。

上記した構成のもと、燃料タンク６から燃料極３に供給されたメタノール水溶液が、ブロワー８により空気極４に供給された空気と電気化学的に反応し、電力を発生させると共に、空気極４側において水蒸気が発生し、燃料極３側においてメタノール水溶液と二酸化炭素が発生する。そして、空気極４側で発生した水蒸気は凝縮器９において水と空気に分離された後、それぞれ凝縮水タンク１０に還流され、水は燃料タンク６に供給され、空気は大気中に放出される。また、燃料極３側で発生したメタノールは燃料タンク６に還流され、水位センサ１１により燃料タンク６内のメタノール水溶液の水位の低下が検出されると、燃料タンク６に高濃度のメタノールが供給される。一方、燃料極３側で発生した二酸化炭素は、燃料タンク６から連通管１２を通り、凝縮水タンク１０を介して大気中に放出される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１３２９２４号公報

しかしながら、上記した従来の燃料電池システム１では、燃料タンク６、熱交換器７、凝縮器９、凝縮水タンク１０がそれぞれ別々に設けられているため、システムを構成する部品点数が多くなり、配管系統も複雑となっていた。そのため、システムが大型化し、製造コストやメンテナンスコストが増大するといった問題があった。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、システムを構成する部品点数を削減し、配管系統の単純化、システムの簡略化、コンパクト化を図り、製造コスト及びメンテナンスコストの削減が可能な燃料電池システムを提供するものである。

本発明は、電解質膜を挟んで燃料極と空気極が設けられた燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料極に供給する燃料を貯蔵するための燃料タンクと、該燃料タンクから前記燃料極に供給される燃料を適正温度に保持させるための熱交換器と、前記空気極側から排出された気体を凝縮させるための凝縮器と、該凝縮器から排出された凝縮水を貯留するための凝縮水タンクとを備え、前記燃料タンクと前記熱交換器と前記凝縮器と前記凝縮水タンクとが一体に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料タンクと熱交換器と凝縮器と凝縮水タンクとが一体に設けられているため、システムを構成する部品点数を削減でき、配管系統の単純化、システムの簡略化、コンパクト化が図れ、製造コスト及びメンテナンスコストの削減が可能となる等、種々の優れた効果を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明では、本発明をダイレクトメタノール型燃料電池システムに適用した場合を例にとって説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１５を示しており、この燃料電池システム１５は、電解質膜１６を挟んで燃料極１７と空気極１８が設けられた燃料電池スタック１９と、空気極１８に空気を供給するためのブロワー２０と、熱交換器ユニット２１とを備えている。

熱交換器ユニット２１は、多数のチューブ２２とフィン２３とから構成されたコア２４と、コア２４の両端部にそれぞれ設けられたアッパタンク２５及びロアタンク２６とを備えており、さらに、コア２４は、燃料極１７に供給される燃料を適正温度に保持させるための熱交換器部分２７と、空気極１８側から排出された気体を凝縮させるための凝縮器部分２８とから構成されている。

アッパタンク２５は仕切壁２９により空気極側タンク３０と燃料極側タンク３１とに仕切られており、空気極側タンク３０は燃料電池スタック１９の空気極１８側と配管３２を介して接続され、燃料極側タンク３１は燃料電池スタック１９の燃料極１７側と配管３３を介して接続されている。また、燃料極側タンク３１には、配管３４を介して原燃料タンク３５が接続されており、配管３４途中に原燃料ポンプ３６が設けられている。

また、ロアタンク２６は仕切壁３７により、コア２４の凝縮器部分２８から排出された凝縮水を貯留するための凝縮水タンク３８と、燃料極１７に供給する燃料を貯蔵するための燃料タンク３９とに仕切られている。そして、凝縮水タンク３８は配管４０を介して燃料極側タンク３１に接続され、配管４０途中に凝縮水ポンプ４１が設けられている。また、燃料タンク３９は燃料電池スタック１９の燃料極１７側と配管４２を介して接続され、配管４２途中に燃料ポンプ４３が設けられている。さらに、燃料タンク３９には水位センサ４４が設けられている。

このように、熱交換器ユニット２１は、上記した従来における燃料タンク６、熱交換器７、凝縮器９、及び凝縮水タンク１０を一体化したものであり、燃料電池システム１５を構成する部品点数を削減することができ、配管系統を単純化することができる。したがって、燃料電池システム１５の簡略化、コンパクト化が図れ、製造コスト及びメンテナンスコストを削減することができる。

次に、図１により、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１５の作用について説明する。

燃料ポンプ４３の作動により燃料タンク３９から配管４２を通って燃料電池スタック１９の燃料極１７にメタノール水溶液が供給され、このメタノール水溶液はブロワー２０により空気極１８に供給された空気と電気化学的に反応し、燃料電池スタックにおいて電力が発生する。この時、空気極１８側においては水蒸気が発生し、燃料極１７側においては二酸化炭素とメタノール水溶液が発生する。そして、空気極１８側で発生した水蒸気は配管３２、空気極側タンク３０を通って、コア２４の凝縮器部分２８において凝縮され、水と空気に分離された後、凝縮水タンク３８に還流され、空気は大気中に放出される。また、凝縮水タンク３８に還流した凝縮水は、その後、凝縮水ポンプ４１により燃料極側タンク３１に供給される。

一方、燃料極１７側で発生したメタノールは配管３３を通って燃料極側タンク３１に還流され、コア２４の熱交換器部分２７により適正温度に保持された後、燃料タンク３９内に還流される。そして、水位センサ４４により燃料タンク３９内のメタノール水溶液の水位の低下が検出されると、原燃料ポンプ３６により原燃料タンク３５から燃料極側タンク３１、熱交換器部分２７のチューブ２２を介して燃料タンク３９に高濃度のメタノールが供給され、燃料タンク３９内のメタノール水溶液の濃度は所要レベル（３〜６%程度）に維持される。

なお、上記した本発明の実施の形態では、電池スタック１９には、電池セルが１個しか設けられていないが、本発明は、電池セルが複数個積層された電池スタックにおいても適用可能であることは言う迄もない。

また、本発明は、上記したダイレクトメタノール型燃料電池システム１５に限らず、純水素、ガソリン、メタンガス等を燃料として使用する他のタイプの燃料電池システムにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。従来例を示す概略構成図である。

符号の説明

１５燃料電池システム
１６電解質膜
１７燃料極
１８空気極
１９燃料電池スタック
２７熱交換器部分
２８凝縮器部分
３８凝縮水タンク
３９燃料タンク

Claims

電解質膜を挟んで燃料極と空気極が設けられた燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、
多数のチューブとフィンとから構成されたコアと、該コアの両端部にそれぞれ設けられたアッパタンク及びロアタンクとを備えた熱交換器ユニットを備え、前記アッパタンクは空気極側タンクと燃料極側タンクに仕切られ、前記コアは、前記燃料極側から排出された燃料を適正温度に保持させるための熱交換器部分と、前記空気極側から排出された気体を凝縮させるための凝縮器部分とから構成され、前記ロアタンクは仕切壁により、前記凝縮器部分から排出された凝縮水を貯留するための凝縮水タンクと、前記燃料極に供給する燃料を貯蔵するための燃料タンクとに仕切られ、該燃料タンクと前記熱交換器部分と前記凝縮器部分と前記凝縮水タンクとが一体に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。